Propiedades de los materiales ferromagnéticos y su aplicación en tecnología.
Alrededor de un alambre con corriente eléctrica, incluso en el vacío, hay campo magnético… Y si se introduce una sustancia en este campo, entonces el campo magnético cambiará, ya que toda sustancia en un campo magnético se magnetiza, es decir, adquiere un momento magnético mayor o menor, definido como la suma de los momentos magnéticos elementales asociados a partes que componen esa sustancia.
La esencia del fenómeno radica en el hecho de que las moléculas de muchas sustancias tienen sus propios momentos magnéticos, porque en el interior de las moléculas se mueven cargas que forman corrientes circulares elementales y, por tanto, van acompañadas de campos magnéticos. Si no se aplica un campo magnético externo a la sustancia, los momentos magnéticos de sus moléculas se orientan aleatoriamente en el espacio y el campo magnético total (así como el momento magnético total de las moléculas) de dicha muestra será cero.
Si la muestra se introduce en un campo magnético externo, la orientación de los momentos magnéticos elementales de sus moléculas adquirirá una dirección preferencial bajo la influencia del campo externo. Como resultado, el momento magnético total de la sustancia ya no será cero, ya que los campos magnéticos de las moléculas individuales bajo nuevas condiciones no se compensan entre sí. Así, la sustancia desarrolla un campo magnético B.
Si las moléculas de una sustancia inicialmente no tienen momentos magnéticos (existen tales sustancias), entonces, cuando dicha muestra se introduce en un campo magnético, se inducen corrientes circulares en ella, es decir, las moléculas adquieren momentos magnéticos, que nuevamente, como resultado, conduce a la aparición de un campo magnético total B.
La mayoría de las sustancias conocidas están débilmente magnetizadas en un campo magnético, pero también hay sustancias que se distinguen por sus fuertes propiedades magnéticas, se les llama ferroimanes… Ejemplos de ferroimanes: hierro, cobalto, níquel y sus aleaciones.
Los ferroimanes incluyen sólidos que a bajas temperaturas tienen una magnetización espontánea (espontánea) que varía significativamente bajo la influencia de un campo magnético externo, deformación mecánica o cambio de temperatura. Así se comportan el acero y el hierro, el níquel y el cobalto y las aleaciones. Su permeabilidad magnética es miles de veces mayor que la del vacío.
Por esta razón, en ingeniería eléctrica, para conducir el flujo magnético y convertir la energía, se utiliza tradicionalmente núcleos magnéticos hechos de materiales ferromagnéticos.
En tales sustancias, las propiedades magnéticas dependen de las propiedades magnéticas de los portadores elementales del magnetismo: electrones moviéndose dentro de los átomos… Por supuesto, los electrones que se mueven en órbitas en los átomos alrededor de sus núcleos forman corrientes circulares (dipolos magnéticos). Pero en este caso, los electrones también giran alrededor de sus ejes, creando momentos magnéticos de espín, que simplemente desempeñan el papel principal en la magnetización de los ferromagnetos.
Las propiedades ferromagnéticas se manifiestan únicamente cuando la sustancia se encuentra en estado cristalino. Además, estas propiedades dependen en gran medida de la temperatura, ya que el movimiento térmico impide la orientación estable de los momentos magnéticos elementales. Entonces, para cada ferroimán, se determina una temperatura específica (punto de Curie) a la cual se destruye la estructura de magnetización y la sustancia se convierte en un paramagneto. Por ejemplo, para el hierro es de 900 °C.
Incluso en campos magnéticos débiles, los ferroimanes pueden magnetizarse hasta la saturación. Además, su permeabilidad magnética depende de la magnitud del campo magnético externo aplicado.
Al comienzo del proceso de magnetización. inducción magnética B se vuelve más fuerte en un ferromagnético, lo que significa permeabilidad magnética es genial Pero cuando se produce la saturación, aumentar aún más la inducción magnética del campo externo ya no conduce a un aumento en el campo magnético del ferromagneto y, por lo tanto, la permeabilidad magnética de la muestra ha disminuido, ahora tiende a 1.
Una propiedad importante de los ferromagnetos es resto… Supongamos que se coloca una barra ferromagnética en la bobina y al aumentar la corriente en la bobina se satura. Luego se apagó la corriente en la bobina, es decir, se eliminó el campo magnético de la bobina.
Se podrá notar que la varilla no se desmagnetiza al estado en que se encontraba al principio, su campo magnético será mayor, es decir, habrá una inducción residual. La varilla se hizo girar de esta manera. a un imán permanente.
Para desmagnetizar una barra de este tipo, será necesario aplicarle un campo magnético externo con la dirección opuesta y con una inducción igual a la inducción residual. El valor del módulo de inducción del campo magnético que debe aplicarse a un ferroimán magnetizado (imán permanente) para desmagnetizarlo se denomina fuerza coercitiva.
Las curvas de magnetización (bucles de histéresis) para diferentes materiales ferromagnéticos difieren entre sí.
Algunos materiales tienen amplios bucles de histéresis; estos son materiales con alta magnetización residual, se denominan materiales magnéticamente duros. Los materiales magnéticos duros se utilizan en la fabricación de imanes permanentes.
Por el contrario, los materiales magnéticos blandos tienen un ciclo de histéresis estrecho, baja magnetización residual y se magnetizan fácilmente en campos débiles. Estos son materiales magnéticos blandos que se utilizan como núcleos magnéticos de transformadores, estatores de motores, etc.
Los ferroimanes juegan un papel muy importante en la tecnología actual. Los materiales magnéticos blandos (ferritas, acero eléctrico) se utilizan en motores y generadores eléctricos, en transformadores y estranguladores, así como en ingeniería de radio. Las ferritas están hechas de núcleos de inductores.
Los materiales magnéticos duros (ferritas de bario, cobalto, estroncio, neodimio-hierro-boro) se utilizan para fabricar imanes permanentes. Los imanes permanentes son muy utilizados en instrumentos eléctricos y acústicos, en motores y generadores, en brújulas magnéticas, etc.